陶晶，柴署淇

（国投青海风电有限公司，青海 格尔木 816000）

1 引言

本文以UP86-1500ⅢB 高原型双馈异步风力发电机为例，该型号风力发电机组适用于青藏高原海拔高度为2 800～3 500m。风机发电机轴承的材料为高碳铬轴承钢，转轴材料为35CrMo 合金结构钢（合金调质钢），轴承为深沟球轴承。

2 风机发电机转轴、轴承常见故障

2.1 风机发电机转轴损伤

风机发电机在运行过程中出现发电机非驱动端轴承温度偏高或短期内呈现大幅度升高的情况。紧接着频繁报出“风机发电机轴承温度超”“风机变频器故障”，严重时报出“变频器网侧接地故障”“风机发电机三相电流越线故障”。

检修人员登塔检查情况主要有：

1）发电机非驱动端轴承润滑油脂明显变质，呈铁锈褐色、发黑情况。

2）发电机在低速运转时有异常震荡的声音。

3）发电机主碳刷、接地碳刷磨损严重，集电环表面灼伤。用手抚摸集电环表面，表面粗糙。

4）检查碳刷支架表面灼伤，碳刷支架连接线路绝缘皮有烧伤痕迹。拆解发电机轴承，转轴上的轴承安装面损伤严重，呈点状腐蚀状态，腐蚀点坑深浅不一，点蚀坑深度为2～2.5mm；轴承内圈与轴承接触面光滑，无明显损伤；轴承内外圈滚道面及轴承滚子上有正常运行磨损痕迹，无其他异常损伤现象，无电腐蚀痕迹。

5）检查变频器滤波电容完好，塔底机侧、网测电缆完好，发电机定转子及碳刷支架绝缘检测正常。

6）检查机侧模块电流互感器接线正常，机侧排线接线正常，配置版AP9、开关电源供电正常。

7）检查发电机编码器接线情况，发电机屏蔽线连接无松动，发电机编码器固定良好。

2.2 风机发电机轴承损伤

风机发电机轴承损伤与转轴损伤对机组运行情况影响基本一致，都是故障前期出现轴承温度偏高或者短期内呈现大幅度升高的情况。紧接着频繁报出“风机发电机轴承温度超限”“风机变频器故障”“风机发电机碳刷故障”等，严重时报出“变频器网侧接地故障”“风机发电机三相电流越线故障”。

登塔初步检查情况也是基本一致的，主要表现为：

1）发电机非驱动端轴承润滑油脂明显变质，呈铁锈褐色、发黑情况。

2）发电机主碳刷、接地碳刷磨损严重，集电环表面灼伤。

3）情况严重时，出现碳刷支架表面灼伤，碳刷支架连接线路绝缘皮灼伤情况。

4）对变频器、发电机及其他部位检查，无异常情况。

5）拆解发电机轴承，轴承滚到受力面出现较大面积压光，轴承内外圈滚道出现了一定程度磨损，轴承运行游隙增加。

3 发电机转轴及轴承故障分析

3.1 油脂运行情况分析

油脂状态为该脂外观颜色呈黄、黑交替状，存在混脂情况；脂中有少量油泥颗粒污染，影响润滑效果；脂中有较多尺寸细小的钢质磨损颗粒，磨损金属元素铁含量严重偏高，可能来源于累积磨损。

3.2 发电机转轴材料分析

1） 风机发电机转轴材料是合金结构钢（35CrMo 型合金调质钢），轴承材料是高碳铬轴承钢。为保证故障排查的严谨性，对转轴损伤面取样理化检测，检测结果显示损伤位置材料并未出现改变。从结果来看，转轴材料成分均在合格范围内，并未发生明显变化。因此，可以确认转轴损伤并非轴电流损伤所致。

2）发电机轴X 射线衍射辅助分析检测，表明轴表面均为氧化物，但未见Fe3O4，颜色为黑色，是拆解过程中火焰加热油脂燃烧产生的油烟造成。

3.3 发电机轴承情况分析

1）检查发现轴承内外圈接触面光滑，无明显损伤。

2）轴承内滚道电镜观察，平整区域成分与轴承钢相当，蚀坑内氧化物居多，尤其凸起处含量较高（见图1）。

图1 轴承内滚道电镜观察

3）轴承外滚道电镜观察，白亮色表明非金属为主，氧化物居多，氧化状态与内圈相似，存在氧化铝夹杂物和含钼的非金属夹杂物（见图2）。

图2 轴承外滚道电镜观察

4）轴承滚珠电镜扫描观察，其蚀坑与内外圈电镜观察结果一致（见图3）。

图3 轴承滚珠电镜观察

3.4 结论

通过上述观察、检测，判断发电机转轴故障主要是润滑油脂质变引起发电机转轴与轴承长期发热造成。润滑油脂散热不良或者油脂质量不合格，均会引起转动部位温度持续升高，导致油脂失效和转动部位损坏情况。

4 风机发电机日常运行管理情况分析

4.1 风机发电机润滑油脂使用情况分析

该类型风机为首批高原型双馈异步风力发电机组，使用环境在海拔2 800～3 500m，受高原气候和地理环境因素的影响，发电机润滑油脂的运行性能和电气绝缘性能发生一定的变化。使用于低海拔地区的美孚SHC100 的润滑油脂在该批次风机上出现散热不良、油脂排油不畅、油脂板结和质变的情况。油脂的这种情况造成发电机轴承、转轴运行期间的温度逐渐升高，造成轴承与转轴表面高温氧化，当电机轴承受偏载、振动、载荷突变等综合因素的影响，表面上发生蠕动或者爬行时，会进一步磨损氧化颗粒物，腐蚀、感染油脂，加剧转轴和轴承磨损。由于轴承内圈硬度为发电机转轴硬度2 倍以上，一般最先出现的是转轴损伤，其次为轴承损伤【1】。

4.2 风机发电机机械对中的影响分析

受风机发电机机械对中的影响，机械对中数据公差过大，会造成发电机载荷突变，使发电机轴承与转轴配合面载荷增加，若发电机转轴与轴承内圈过盈配合公差下限（符合国标，满足正常运行工况条件下的公差）；则可能出现配合面预压力抗不住由于不平稳运行造成的配合面载荷增加，使配合面松动产生蠕变，经过长时间疲劳蠕变、恶化，从而诱发上述转轴损伤情况。

4.3 轴电流的腐蚀，引起转轴和轴承失效

4.3.1 风机发电对转子绕组供电的影响

风机发电机主要通过接地碳刷来引导轴电流接地，因此必须使用厂家规定的发电机正品碳刷，巡检和定期项目中列入检查碳刷支架、压簧弹性、微动开关灵敏度。发现碳刷磨损至原来的2/3 时及时更换，避免碳刷更换不及时造成轴电流过大，损伤轴承。

风电机组变频器采用PWM 调制方式，功率器件在快速开关时不可避免地产生电压尖峰，该尖峰的电压变化率（dv/dt）极高，可超过1 500V/μs，该尖峰电压对应的频率约为1MHz，可以轻易地通过传动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴，再传导至轴承的内圈，击穿油膜后传导至轴承外圈，并与大地形成回路，产生高频轴承电流。由于油膜被高频轴电压击穿时，击穿点面积非常小，致使电流密度非常大，在击穿点局部产生极高的温度，使其金属分子熔融或直接蒸发。如此长期逐渐积累，在轴承上形成肉眼可见的搓衣板纹，最终导致轴承失效。

4.3.2 变频器对转子绕组供电的影响

目前，在双馈异步发电机中普遍采用PWM 变频器（动态响应快、调节精度高），其原理是利用变频器对转子绕组供电，从而实现转速变化时的恒定线频率，同时调整有功和无功功率。但是，变频器的引入使得由过电流引起的轴承失效问题大幅增加。变频器供电的信号具有很高的边缘信号变化率，使得dv/dt电流和相关的寄生效应相应增加。通过对多个风场的调查发现，随着机组并网运行时间的增加，越来越多的电机出现或即将出现因为轴承电腐蚀引起的轴承失效现象【2】。

5 经验总结

1）双馈风力发电机运行环境较为恶劣，且转速较高，因此，须密切关注其轴承运转情况，包括温升、润滑等情况。

2）在风机变频器报出“接地故障”“轴承温度超限故障”，需上塔检查风机发电机碳刷、集电环、集电环室碳粉堆积情况，检查发电机编码器屏蔽线及发电机编码器接线情况，以便迅速、准确地查找故障点。

3）严格按照风机巡检周期检查发电机碳刷磨损情况，及时更换磨损碳刷。

4）注意碳刷安装方向正确，安装前稍微打磨新换碳刷，使之与接地环配合良好，定期检查碳刷支架微动开关灵活性。

5）定检维护时，利用负压机吸出板结润滑脂，并清理集电环表面碳粉，避免碳粉堆积较多造成的短路。

6）严格按照风电机组巡检标准开展机组日常巡检，针对运行有异响声音的风电机组及时检查，能有效预防此类故障发生。

6 结语

综上所述，风电机组在运行过程中要密切关注发电机运行情况，及时发现问题，尽早处理，避免因为大部件损坏造成的长时间停机。风电场根据实际情况合理储存备品备件，减少不必要的停机时间。本文风电机组实际运行过程中出现的发电机系统故障案例，对今后的故障处理有一定的帮助作用。